S TEREOLITOGRAFIE ( SLA )

SLA je první komerční zavedená technologie Rapid Prototyping. Instalace prvních zařízení spadají do roku 1987. Metoda SLA položila základ pro ostatní technologie RP, které převzaly základní princip vytváření modelu z vrstev materiálu.

Model zhotovený technologií SLA je možné použít například jako designérskou studii nebo ověření funkčnosti celé sestavy přes silikonové a vstřikolisové formy až po výrobu sádrové formy pro odlitky z hliníkových a hořčíkových slitin. Důležité je i použití SLA v medicíně, kdy se data z tomografu nebo magnetické rezonance převedou pomocí speciálního softwaru na objemový model, který je následně použit při výrobě stereolitografického modelu. Lze tak například zkrátit dobu přípravy komplikované operace nebo usnadnit výrobu náhrady (implantátu) za poškozený kloub.

Použitý materiál pro zhotovení součástky, kterým je fotopolymorfní pryskyřice, která po vytvrzení umožňuje širokou škálu mechanických povrchových úprav (od jemného broušení přes pískování až k dokonalému vyleštění).

Takto připravená prototypová součást může být použita pro výrobu silikonové formy při požadavku na zhotovení několika desítek kusů plastového dílu z polyuretanu, popřípadě na výrobu vstřikovací formy pro zhotovení několika stovek až tisíců kusů ze sériově vyráběných plastových materiálů (ABS, PA, POM).

Stereolitografie je v současné době na vrcholu technologických metod systému Rapid Prototyping zejména proto, že umožňuje dosáhnout vysoké přesnosti při výrobě prototypové součásti (master modelu). Zhotovená součást se běžně používá pro sestavování tzv. „data-control-modelů“, což například v automobilovém průmyslu představuje nefunkční prototyp, na základě kterého jsou připravovány sériové nástroje a vstřikovací formy. Stereolitografický stroj je složen ze tří hlavních částí: z pracovní komory, řídicí jednotky a opticko-laserového systému. V pracovní komoře je umístěna nádoba s epoxidovou pryskyřicí, ve které se ve směru osy Z pohybuje platforma a nůž zajišťující rovinu pryskyřice v každé vrstvě. Řídicí jednotka obsahuje počítač, který ovládá celý stroj - od nastavení parametrů laseru až po řízení procesu výroby. Poslední část, opticko-laserový systém, se skládá z plynového či pevnolátkového laseru, čoček a soustavy zrcadel pro nasměrování laserového paprsku.

Princip zhotovení prototypových součástek technologickou metodou stereolitografie je tzv. „drawing out“ vytvrzování (ozařování každého příčného řezu vytvářené prototypové součástky laserovým paprskem v souřadném systému X-Y).

Základní deska je umístěna v pozici pod hladinou v nádobě naplněné vazkým fotopolymerem. Fotopolymer se vyznačuje specifickou fyzikální vlastností, tj. po osvětlení libovolným světelným zdrojem dochází k jeho ztuhnutí. Pro přesné určení místa osvětlení v SLA zařízení je použit paprsek LASERu.

Celé zařízení SLA je tvořeno hermeticky uzavřenou komorou (zabránění úniku výparů vzniklých působením LASERu na fotopolymer). Laserový paprsek působí na plochu fotopolymeru po vrstvách vygenerovaných obslužným programem. Paprsek se pohybuje v osách X-Y, přičemž je do požadovaného směru vychylován zrcadlem. V

Obr.19 Princip stereolitografie

okamžiku dokončení jedné vrstvy se základní deska sníží ve směru osy Z směrem pod hladinu. Dojde ke smočení vytvořené vrstvy. Deska se vysune přibližně o hodnotu tloušťky nové vrstvy. Konečná tloušťka se vytvoří pomocí stírací lišty. Tento postup se opakuje tak dlouho, dokud není součást kompletní. Tloušťky jednotlivých vrstev jsou v rozsahu 0,05 až 0,15 mm.

Součásti s převislými plochami mohou být vytvářeny bez podpůrných struktur.

Obslužný program podpory vygeneruje pokud plochy svírají malý úhel se základní deskou a jsou navíc štíhlé. Pokud by podpory vygenerovány nebyly, hrozí že se počáteční tenké vrstvy mohou zvlnit nebo odlomit například při pohybu součásti ve vertikálním směru (směr vytváření jednotlivých vrstev). Podpora je nejčastěji tvořena jako tenkostěnný objekt, který je možné mechanicky odstranit (odlomením) po dokončení prototypové součástky.

První stereolitografická komerční využitelná zařízení představila americká firma 3D Systems koncem osmdesátých let minulého století. Stereolitografické zařízení této firmy vytvářejí vrstvy tloušťky řádově v setinách milimetru. Technologii SLA komerčně rozvinuly i další firmy:

EOS

Fockele&Schwarze Cubital

CMET-NTT-Data Comunication

D-MEC-JR/Sony

Závěrečné úpravy součásti po jejím vyjmutí spočívají ve:

• vytvrzení v UV peci (délka vytvrzení je závislá na velikosti součásti a pohybuje se řádově v hodinách až desítkách hodin)

• povrchová úprava stříkáním, případně se povrch součástky vyleští nebo otryská měkkým materiálem za účelem dosáhnutí matného povrchu.

• uložení součásti do stativu – šablony (používá se hmotných nebo štíhlých součástí) – pro vytvoření stativu se používají specializované programy (například Magic)

Celý proces výroby prototypových součástek stereolitografickou metodou trvá hodiny a v případě velmi složitých kombinovaných dílů několik dní.

Výhody:

• masivní materiál

• velký stavební objem

• modely mohou obsahovat otvory velikosti řádově mm

• tloušťka vrstvy 0,05 až 0,15 mm

• přesnost (0,05 ÷ 0,2 mm/100 mm)

• Povrch součásti s velmi nevýraznou schodovitou strukturou

• RP proces vhodný pro nepřímou výrobu nástrojů

Nevýhody:

• pomalý proces tvrzení polymeru

• Práce s fotopolymerní pryskyřicí a LASERy vyžaduje hermeticky uzavřenou komoru – zařízení SLA je finančně nákladné

• malá tepelná a mechanická odolnost vzniklého modelu

• nutná speciální forma (šablona) pro skladování součásti (deformuje se vlastní hmotností)

• Malý výběr použitelných materiálů pro prototypové součásti

Poznámky:

Modul v tahu - vztah mezi namáháním a napětím

Max. napětí v tahu - Maximální napětí při kterém dojde k prasknutí součásti Základní typy materiálů SLA:

• Akryláty

o Starší materiál který se dnes již moc nepoužívá o Velká smrštivost

o Pro namáhání nebo spékání v praktickém využití

o Vyplňované organickými materiály, keramikou nebo kovy

Hlavní vlastnosti materiálů pro SLA:

Mechanické vlastnosti materiálů – modul v tahu (při pokojové teplotě):

Materiál modul v tahu

• Pevnost polotovaru

• Odolnost vůči vlhkosti

• Přesnost

• Povrchové vlastnosti

• Dvousložkovost

• Průzračnost nebo neprůsvitnost

• Změna barvy

• Teplota při sklovitosti

• Odolnost vůči teplotě

• Koeficient tepelné roztažnosti

• Obrobitelnost

Tabulka 1

Obr.20 Master model vytvořený SLA technologií.

Obr.21 Master model vytvořený SLA technologií.